基于车流特性的路内公交站点通行能力.pdf

第2 9 卷第1 0 期 2 0 0 9 年1 0 月 系统工程理论与实践 S y s t e m sE n g i n e e r i n g T h e o r y P r a c t i c e V 0 1 2 9 N o 1 0 o c t 2 0 0 9 文章编号 1 0 0 0 6 7 8 8 2 0 0 9 1 0 0 1 7 4 0 6 基于车流特性的路内公交站点通行能力 柏海舰 李文权 孙山 东南大学交通学院 南京2 1 0 0 9 6 摘要基于车流特性提出了一种新的站点通行能力计算方法 深入分析路内公交站点站内外公交 车辆的运行特性 分两步建立了路内公交站点通行能力模型 首先根据站点内外的车辆运行特性建 立路内站点物理设施通过能力的计算公式 然后采用生灭过程的分析方法 分析车辆进站出站的运 行过程及生灭参数 建立路内站点公交车辆最大到达率及通行能力的模型公式 通过编程求解模型 得到了不同泊位数 不同停靠时间的路内站点通行能力数值表 为站点的规划和建设提供了可参考 的依据 最后通过南京鸡鸣寺站点的实例计算验证了该方法计算结果的合理性 关键词公交停靠站 通行能力 物理设施 生灭过程 路内停靠站 中图分类号U 4 9 1 1 文献标志码A O n l i n eb u ss t o pc a p a c i t yb a s e do nf l o wc h a r a c t e r s B A IH a i j i a n L IW e n q u a n S U NS h a n S c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o n S o u t h e a s tU n i v e r s i t y N m a j i n g2 1 0 0 9 6 C h i n a A b s t r a c tA l t h o u g ht h eb u s f l o wv o l u m ei nb u ss t o p si sl o w e rt h a nc a p a c i t yo fs t o p c o n g e s t i o np h e n o m e n o no c c u r r e df r e q u e n t l y w h i c ha f f e c t st h es e r v i c el e v e ro fs t o pa n db u sl i n es e r i o u s l y T h ep a p e r p u tf o r w a r dt w oc o n c e p t so fb u ss t o pc a p a c i t yb a s e do nb u sf l o wc h a r a c t e r s A n a l y z i n gt h eb u sr u n n i n g c h a r a c t e r si n o u to n l i n eb u ss t o p i tc o n s t r u c t st h ec a p a c i t ym o d e lo fo n U n eb u ss t o pi nt w os t e p s F i r s t o fa l l c o n s t r u c tt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fo n f i n eb u ss t o pp h y s i c a lf a c i l i t yc a p a c i t y a n db a s e do nw h i c h e s t a b l i s ht h eb u sa r r i v i n gr a t em o d e lo fo n h n eb u ss t o pa d a p t i n gb i r t h d e a t hp r o c e s sm e t h o da n ds o l v e o u tt h ec a p a c i t ys c h e d u l eb a s e do nb u sf l o wc h a r a c t e r si nd i f f e r e n tb e r t h s d i f f e r e n td w e l lt i m e a l lo fw h i c h p r o v i d eap r e f e r e n c ef o rt h eb u ss t o pb u i l d i n ga n dp l a n n i n g F i n a l l y ac a l c u l a t i o ne x a m p l ei sp e r f o r m e d t ov e r i f yt h em e t h o dr e a s o n a b l ea n da p p l i c a b l e K e y w o r d sb u ss t o p c a p a c i t y p h y s i c a lf a c i l i t y b i r t h d e a t hp r o c e s s o n l i n es t o p 1 引言 随着城市的发展 人民生活水平的提高 私人小汽车保有量急剧增长 给城市交通带来严重的负担 各国 城市发展的经验告诉我们公共交通是城市交通可持续发展的有效方法 在我国 公共交通的优先发展理念也 已被广为接受 但许多城市公交线网规划和线路布设存在一定的缺陷 如对站点通行能力估计不足造成线路 布设不科学 在公交线网规划常用的模型中 线路重复性系数是模型求解的一个重要约束条件 单个站点的 公交线路数原则上不会超出范围 但在实际线路布设时 很多线路根据经验布设 出现了某些关键路段部分 收稿日期 2 0 0 8 0 9 0 3 资助项目 十一五 国家科技支撑计划 2 0 0 6 B A J l 8 8 0 3 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 2 0 0 7 A A l l Z 2 1 0 作者简介 柏海舰 1 9 8 0 男 博士研究生 E m a i l b a i h a i j i a n 0 0 0 0 1 6 3 c o m 李文权 男 博士 教授 万方数据 第1 0 期柏海舰 等 基于车流特性的路内公交站点通行能力 1 7 5 站点的线路数目过多 加之高峰时段发车频率高 公交车辆的到达率超过了站点的真实通行能力 造成了公 交站点附近的拥堵 使得整个路段的公交运营效率大大降低 同时也影响了其他车道车辆的正常运行 因此 进一步研究站点的通行能力有着重要的意义 当前对公交站点通行能力的研究存在两个问题 一 在公交系统的研究中 大家侧重的是网络容量 线路 容量 对单个站点的通行能力的影响因素考虑不足 二 实际的站点公交车流量并未达到站点的通行能力 但 站点经常出现公交车辆排队过长的现象 T C R P T r a n s i tc o o p e r a t i o nr e s e a r c hp r o g r a m R E P O R T 及其他文 献 1 5 对公交站点的通行能力作了 个详述 给出了模型的参数和估计值 但模型并没有充分考虑公交站点 通行能力与物理设施通过能力的区别 对公交车流到达特性考虑的也不够 致使通行能力的值偏大 与实际 的站点运行状况存在差异 也不能体现物理设施的通过能力与实际的公交站台通行能力的关系 因此需要一 种基于理想状态下物理设施通过能力充分考虑车流特性修正的站点通行能力计算方法 本文正是在分析站点 内外公交车辆运行特征的基础上 建立路内公交站点通行能力的生灭方程 推导路内公交站点的通行能力公 式并计算了给定条件下的站点通行能力 2 基于车流特性的路内公交站点通行能力分析建模 2 1 基于车流特性的路内站点通行能力研究思路 站 4 辆排队车辆进站 图1 接近物理设施通过能力条件下路内公交站点车辆进出站运行示意图 从图1 接近物理设施通过能力条件下 路内公交站点车辆进出站运行示意图不难看出 高峰时间公交车 辆在路内公交站点换道几率小 车辆出现排队时站点的通过能力可接近最大值 假设公交站点有知个泊位 站点每次清空后 立刻有k 辆公交车进入站点 就可接近站点的物理设施通过能力 并且随着排队长度的增 加 物理设施的通过能力稳定于一个值 但这种排队使得公交车辆在站点运行延误增加 排队越长 延误越 大 而公交站点是公交线路运营延误的关键位置之一 延误需要控制在一定的范围内 根据文献 2 的计算 在交通高峰时段 公交车到达率达到或超过站点物理设施通过能力 公交车辆的排队会比较长 严重影响公交 站点的服务水平和线路的运营效率 因此以站点物理设施通过能力作为衡量公交站点服务水平的标准不太合 适 需要一种考虑车流排队延误的通行能力评价指标 本文提出基于车流特性的站点通行能力的概念 基于 车流特性的站点通行能力是公交站点在满足一定服务水平下的公交车通过能力 即在交通高峰时段 使得公 交车辆的排队延误控制在给定水平的公交车辆的最大到达率 这种条件下的公交车到达率才是站点真正服务 水平高低的体现 研究的基本思路是从分析公交车辆在站内运行特征着手 建立公交站点物理设施通过能力公式 然后将 公交站点的车辆进出站运行系统拟合为 个生灭系统 以物理设施通过能力作为系统的输出率 建立生灭系 统状态方程 同时选取车辆排队进站的概率作为衡量站点拥堵的指标 通过数学归纳法推导出在满足给定指 标值条件下 不同泊位数的路内公交站点公交车辆到达率所需满足的不等式 泊位数一定的公交站点公交车 辆至q 达率的最大值即可作为路内公交站点的通行能力 2 2 基于车流特性的路内停靠站点通行能力计算模型 路内公交站点运行模式较为复杂 用简单的M M 1 或M M S 排队系统M I 进行模拟存在局限性 鉴 于此 站点通行能力的计算采用生灭过程 6 7 来进行分析建模 路内停靠站点通行能力模型的建立基于以 下两个假设 一 如图2 高峰时段路内公交站点公交车进站出站运行示意图 在交通高峰时间 相邻车道机 动车流量饱和 没有机会让公交车直接换道超前车辆出站 二 在交通高峰时间 由于无车辆换道出站 公交 车辆只能提前换道从最右边车道进入公交站台 无机会直接从邻近车道换道进入站台泊位 万方数据 1 7 6 系统工程理论与实践第2 9 卷 站点拥堵问题大多数出现在交通高峰时段 此时段站点公交车的运行状况与两个假设很接近 假设将不 影响模型的合理性 路内停靠站点在未出现排队的情况下 公交车的延误应该在合理的范围之内 当然此时 的公交车到达时在站台的通行能力的范围内 而当出现排队现象时 公交站台的实际公交车通过量增加并达 到 个最大值即物理设旅的通过能力 一 璺前世彗几率很扯 蚤竺兰置罡星当 宣戳瞿糌 j 譬J 舅堕 一 二 二 露墨 蟹窑 藿 窭 l 整鳖l 二一 提前换道进入最右车道 路内公父站台 图2 高峰时段路内公交站点公交车进站出站运行示意图 舻 t j t d 器g c 爨t c e 每i 1 t 忍 v 2 舻 赢糌t2 k1 t 嚣蛐 一 2 L 巧 幻 夕 c 一 根据生灭系统的数学公式得出路内站点生灭状态方程组 对于站点系统中没有车辆的状态即t 0 时 其状态方程为 珧P 1 A 岛 对于站点系统中有i 辆公交车的状态其状态方程为 入只一1 p 件1 只 1 入 胁 只 只表示站点同时有i 辆车到达的概率 i 0 1 2 根据上述 3 4 公式递推可得 当i 七时只 L 马 n 脚 j l 当t k 时 只 j 一岛 B 一 I I 脚 j 正l 同时 只 只 1 根据公式 5 一 7 可通过数学归纳法推导证明k 个泊位的站台其P o 的计算公式 岛 1 丁B A P o 2 者 k 1 召一A 兀地 5 6 8 9 B 一入 A l I 心 B 入七一1 i 0 j i l 万方数据 第1 0 期柏海舰 等 基于车流特性的路内公交站点通行能力 1 7 7 其中P o k 表示而个泊位数的站点有0 辆车到达的概率 即有七个泊位数站点的R 值 设站点允许车辆排队的概率为Q 据此得如下方程 只0 k a或只 i k 1 一a 1 1 根据泊位数不同 分别将公式 5 一 6 8 一 1 0 中相应公式代入公式 1 1 可得如下不同泊位数的路内站 点车辆到达率不等式方程 1 2 1 4 1 一 去 1 一n 当七 埘 1 2 尝塑篇黑 l Q 当k 2 时 13 B B 2 p 1 A B p 1 一 一 1 吖 k 一2七一1 B 兀助 B A B 2 A 七一1 i 0 j i 1 1 一Q k 3 4 1 4 根据给定站点的泊位数从公式 1 2 一 1 4 中选取公式计算 可得站点允许的车辆最大到达率即可作为站 点的通行能力 可用公式 1 5 表示 其中B I k 表示k 个泊位的站点通行能力 B 惫 m a x A 1 5 2 3 路内停靠站点通行能力计算结果分析 根据公式 2 分别计算1 7 个泊位 停靠时间2 0 9 0 8 间隔5 s 车辆进站和出站时间t j t 1 5 s 前后车辆的安全反应时间取t 3 s 的路内公交站点的物理设施通过能力见表1 表2 其中为了与T C R P 中计算的通行能力相比较 选取9 e o 5 g e l 两种情况计算 a c l 表示站点离下游交叉口较远 受其信 号影响非常小可忽略 后文实例则采用实际路口的绿信比进行计算 表1 g c 0 5 路内公交站点物理设施通过能力 b u s h 从图3 曲线可以看出 随着公交车辆停靠时间的增加 站点物理设施通行能力逐渐减小 但减小的速度 逐渐放慢 不同站点的曲线接近平行 车辆在站点的停靠时间最好能控制在2 0 s 一6 0 s 较为合适 图4 为不同 泊位数的站点通过能力曲线 随着站点数的增加 通过能力增加 但增加的趋势逐渐减小 从图中不难看出站 点的泊位数在2 5 个比较合适 万方数据 1 7 8 系统工程理论与实践第2 9 卷 O 图3g c O 5 不同停靠时间物理设施通过能力曲线 1 234567 站点泊位敷 图4g c 0 5 不同泊位数站点物理设施通过能力曲线 T C R P 中对公交车辆进站状态的研究 公变车需要排队等候进站的概率Q 取1 5 时比较合适 根据公式 1 2 一 a s 利用M A T L A B 求解可得通行能力B 的值如表3 表4 及图5 图6 图5 和图3 比较可以看到 通行能力随着停靠时间的增加其曲线的斜率比通过能力曲线要小 而图6 和图4 比较可以看到 随着泊位数 增加 通行能力增加比通过能力曲线斜率大 数值增加要快 表3 9 c 0 5 路内公交站点通行能力 b u s h 焉 g 茕 鬻 靶 囊 磐 治位数 2 02 5 3 03 54 04 55 05 56 06 57 07 58 08 5 9 0 表4 c 1 路内公交站点通行能力 b u s h 停靠时间 s 圈5g c O 5 不同停靠时间路内站点通行能力曲线图 l234567 站点泊位敦 围69 c 0 5 不同泊位数站点通行能力曲线图 如 如 m O 珊 瑚 啪 m 如 o gq R鬈投霸耀魁斛霉 瑚 抛 啪 m f q v R箍村瞳耀魁嘲霉 万方数据 第1 0 期柏海舰 等 基于车流特性的路内公交站点通行能力1 7 9 表5 是本文建立模型与T C R P 模型的计算结果对比表 可以看到基于车流特性的路内站点通行能力比 T C R P 公式计算的通行能力要小 泊位数越少其差距越大 泊位数越多 二者的差距越小 并可超过通行能力 的值 表5 不同计算方法路内站点通行能力对比表 注 J E L 为T C R P 公式计算通行能力 T C R P 模型的参数 清空时间为1 0 s c t 0 6 Z 0 2 5 选取南京市北京东路 北极会堂站进行调查 调查时问段为5 3 0 6 3 0 调查数据整理得 站台位置距离 下游交叉口2 5 m 受下游交叉口信号灯影响 站台停靠1 3 条线路 g c 8 0 1 5 4 0 5 1 9 t d 3 2 S 站台车位数 为4 站点的平均到达率为1 3 8b u s h 采用公式 1 一 2 9 1 5 可计算得站点物理设施的通过能力为 B 1 5 1b u s h 基于车流特性的通行能力为B I 9 2 b u s h 从结果可以看出1 5 1 1 3 8 实际流量未达到站点 通行能力 采用以往的计算方法其通行能力鼠 1 5 3b u s h 也是大于1 3 8 b u s h 站点高峰时间通行能力应 该能满足要求 但站点现状的排队概率很高 达6 0 多 而基于车流特性的通行能力的角度看 9 2 1 高峰时段处于过饱和状态 符合该站点高峰时段的实际情况 笔者认为公交站点处于物理设施通过能力的车流量下 公交车排队率过高 延误大 服务水平低 同时对 邻近车道车流影响大 而现有的通行能力计算方法与物理设施通过能力计算的结果相差不大 用它作为站点 设计和规划的标准不太合适 因此需要在一定的服务水平下考虑站点的通行能力 本文提出的基于车流特性 的通行能力计算方法采用公交车辆排队率作为站点服务水平的间接衡量指标能从一定程度上解决这个问题 但模型中未考虑站点内车辆的超车进站出站的现象仍是有待解决的问题 它的解决将能进一步提高模型计算 的精度 参考文献 1 JT r a n s i tc a p a c i t ya n dq u a l i t ys e r v i c em a n u a l2 n de d i t i o n R W a s h i n g t o nDc T r a n s i tC o o p e r a t i v eR e s e a r c h P r o g r a m T C R P R e p o r t1 0 0 2 0 0 3 4 1 4 1 0 9 2 柏海舰 李文权 常规公交站台容纳线路能力计算模型 东南大学学报 自然科学版 2 0 0 7 3 7 6 1 0 7 7 1 0 8 0 B 8 iHJ L iWQ C a l c u l a t i o np r o c e s sr e s e a r c ho fr o u t i n eb u s s t o pr o u t e sc a p a c i t y J 1 J o u r n a lo fS o u t h e a s t U n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n 2 0 0 7 3 7 6 1 0 7 7 1 0 8 0 3 Z h a oXM G a oZY L iKP T h ec a p a c i t yo ft w oN e i g h b o u ri n t e r s e c t i o n sc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eb u s s t o p P h y s i c aA J S t a t i s t i c a lM e c h a n i c sa n dI t sA p p l i c a t i o n s 2 0 0 8 3 8 7 1 8 4 6 4 叫6 5 6 4 美国交通工程师协会 道路通行能力手册 H C M M 任福田 等译 北京 建筑工业出版社 1 9 9 1 5 Y o t m e sH a m d o u c h S i r i p h o n gL a w p h o n g p a n i c h S c h e d u l e b a s e dt r a n s i ta s s i g n m e n tm o d e lw i t ht r a v e ls t r a t e g i e s a n dc a p a c i t yc o n s t r a i n t s I J l T r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c hP a r tB M e t h o d o l o g i c a l 2 0 0 8 4 2 7 8 6 6 蛐8 4 6 姚祖康 道路与交通工程系统分析 M 北京 人民交通出版社 1 9 9 6 1 2 9 6 1 1 8 7 朱全新 舒小保 两类生灭过程的特征数及其概率意义 J 高校应用数学学报A 辑 2 0 0 6 2 1 3 3 1 1 3 2 0 Z h uQX S h uXB C h a r a c t e r i s t i cn u m b e r sa n dt h e i rp r o b a b i l i t ym e a n i n go ft w ok i n d so fb i r t ha n dd e a t h p r o c e s s e s J A p p l i e dM a t h e m a t i c sA J o u r n a lo fC h i n e s eU n i v e r s i t i e s S e t A 2 0 0 6 2 l 3 3 1 1 3 2 0 啪姒仡螂m 盯m 雅蝴双鹤萋 埘 m s j 啪弘驼s 弱螂9 2 阻蜗鸥 m 鹪勰讫器乱啪 宕 躬虬阻镐弘的 8 卯 鹅笛n 均培鹩盯均船坫您 S S S 5 万方数据 基于车流特性的路内公交站点通行能力基于车流特性的路内公交站点通行能力 作者 柏海舰 李文权 孙山 作者单位 东南大学 交通学院 南京 210096 刊名 系统工程理论与实践 英文刊名 SYSTEMS ENGINEERING THEORY 李文权